Per l'incollaggio di fili semiconduttori e l'evaporazione di film sottili, filo di alluminio ad alta purezza con una purezza del 99,99% (4N) o superiore è la linea di base non negoziabile. Un filo da 5N (99,999%) riduce la dannosa crescita intermetallica e la corrosione sul cuscinetto di collegamento, ottenendo un tempo medio di rottura di oltre 1.000 ore nei test di conservazione ad alta temperatura a 200 gradi C, mentre la tolleranza del diametro controllata di più o meno 0,002 millimetri garantisce profili di loop coerenti negli incollatori automatizzati.
Gradi di purezza e controllo delle impurità nel filo di alluminio ad alta purezza
Le prestazioni di filo di alluminio ad alta purezza è dettata dalle concentrazioni di oligoelementi misurate in parti per milione. Anche una singola parte per milione di alcuni metalli può degradare la conduttività elettrica o favorire la corrosione dei cuscinetti di giunzione. La tabella seguente classifica i livelli di purezza standard disponibili presso produttori specializzati.
| Grado di purezza | Contenuto di alluminio (percentuale) | Impurità metalliche totali (ppm) | Applicazione critica |
|---|---|---|---|
| 4N | 99.99 | Meno di 100 | Evaporazione generale, elettrodi condensatori |
| 5N | 99.999 | Meno di 10 | Sostituzione fili in oro e rame, collegamento IC |
| 6N | 99.9999 | Meno di 1 | Pellicole superconduttrici, sensori specializzati |
Per la maggior parte delle aziende di confezionamento di semiconduttori, Filo di alluminio ad alta purezza 5N è diventato lo standard perché contiene meno di 5 ppm di rame e ferro combinati. Ciò riduce drasticamente la formazione di fragili composti intermetallici sull’interfaccia alluminio-oro, che è la causa principale della peste viola e del distacco dei legami. La fase di purificazione aggiuntiva aggiunge circa il 15-20% al costo del materiale rispetto al 4N, ma il miglioramento dell'affidabilità del legame in ambienti a 150 gradi C giustifica la spesa.
Tolleranza sul diametro e requisiti di finitura superficiale
Il diametro di filo di alluminio ad alta purezza utilizzato nell'incollaggio a cuneo varia tipicamente da 0,7 mil (0,018 mm) a 20 mil (0,508 mm), con la dimensione più comune che è 1,0 mil (0,0254 mm). Il filo deve avere una tolleranza sul diametro di più o meno il 2%. del valore nominale per garantire che l'energia ultrasonica si accoppia in modo coerente nel cuscinetto adesivo. Un filo che varia di oltre 0,0005 mm lungo una bobina creerà altezze del cappio e lunghezze della coda variabili, costringendo a frequenti ricalibrazioni del bonder.
La finitura superficiale è altrettanto critica. La superficie del filo deve essere priva di schegge, graffi più profondi di 0,5 micrometri e lubrificante residuo derivante dal processo di trafilatura. Premio filo di alluminio ad alta purezza viene pulito utilizzando un processo a solvente a ultrasuoni multistadio che riduce la contaminazione superficiale da carbonio a meno di 5 microgrammi per centimetro quadrato, garantendo una resistenza alla trazione del filo costante ed eliminando la formazione di vuoti epossidici neri durante lo stampaggio a trasferimento.
Ricottura e controllo delle proprietà meccaniche
Filo di alluminio ad alta purezza viene fornito allo stato ricotto o trafilato e lo stato corretto è determinato dal tipo di attrezzatura di incollaggio. Vengono comunemente specificati due temperamenti distinti.
- Filo completamente ricotto (morbido). ha un allungamento dal 15 al 25% e una resistenza alla trazione inferiore a 50 MPa. Si comprime uniformemente sotto lo strumento di incollaggio, creando un legame a cuneo simmetrico. Questo stato d'animo è essenziale per i pacchetti militari e aerospaziali ad alta affidabilità in cui il legame deve sopravvivere ai cicli termici da meno 65 gradi C a 150 gradi C.
- Filo trafilato duro trattiene dal 50 all'80% dell'incrudimento derivante dalla trafilatura e ha una resistenza alla trazione compresa tra 120 e 180 MPa. Viene utilizzato nei collegamenti a cuneo con accesso profondo in cui il filo deve resistere alla deformazione su lunghe distanze. Tuttavia, la duttilità ridotta richiede un'impostazione della potenza ultrasonica più elevata, che può provocare la formazione di crateri su cuscinetti di legame sottili se non attentamente ottimizzati.
Un lotto di filo di alluminio ad alta purezza con una ricottura incoerente può causare una fluttuazione nella deformazione del legame superiore al 15% su una singola bobina. Produttori rinomati testano ogni bobina per verificarne l'allungamento e il carico di rottura utilizzando un calibro di 250 mm a una velocità di prova di 25 mm al minuto, secondo i metodi ASTM E8, e spediscono il filo con un certificato di conformità.
Applicazioni di evaporazione e rivestimento di film sottili
Nella deposizione sotto vuoto, filo di alluminio ad alta purezza viene alimentato su un filamento di tungsteno riscaldato o su un fascio di elettroni per creare pellicole sottili per specchi ottici, elettrodi semiconduttori e strati barriera. La geometria del filo per l'evaporazione è tipicamente Da 0,5 mm a 2,0 mm di diametro ed è fornito in lunghezze diritte o arrotolate. Un filo di alluminio di purezza 4N è sufficiente per la maggior parte dei processi di metallizzazione perché la deposizione stessa fornisce una certa quantità di gas residui, ma il filo deve essere privo di sodio e potassio, che migrano rapidamente nel biossido di silicio e spostano le tensioni di soglia dei transistor.
Il contenuto totale di gas di filo di alluminio ad alta purezza utilizzato per l'evaporazione deve essere specificato come inferiore a 0,1 ppm per l'idrogeno e inferiore a 0,5 ppm per l'ossigeno. Il gas intrappolato provoca schizzi durante l'evaporazione, espellendo goccioline di dimensioni micron dal filamento che creano difetti nella pellicola depositata. Un filo di alluminio 5N adeguatamente degasato mostrerà zero sputi visibili su una piastra testimone di vetro quadrata da 100 mm quando evaporato a una velocità di 5 nanometri al secondo.
Conservazione e manipolazione per prevenire il degrado della superficie
Anche una piccola quantità di umidità atmosferica o di cloro può comprometterne l'adesione filo di alluminio ad alta purezza . La superficie dell'alluminio reagisce con l'umidità per formare uno strato di ossido idratato che si addensa nel tempo e impedisce una buona formazione intermetallica. Il seguente protocollo di conservazione estende la durata di conservazione di una bobina aperta a oltre 6 mesi.
- Conservare le bobine in un armadio spurgato con azoto con un'umidità relativa inferiore 20 per cento in ogni momento.
- Dopo l'uso, riporre la bobina nella busta di polietilene sigillata e far uscire l'aria in eccesso prima di chiudere la chiusura lampo.
- Non maneggiare il filo a mani nude. Le impronte digitali lasciano sali di cloruro che intaccano la superficie dell'alluminio entro 24 ore a temperatura ambiente.
- Se una bobina di filo di alluminio ad alta purezza è stato esposto all'aria ambiente per più di 72 ore, è necessario eseguire un test di adesione e una prova di trazione per verificare una forza minima di 5 grammi per mille di diametro del filo prima di rilasciare il lotto per la produzione.
